В настоящее время существуют приборы, позволяющие отображать отдельные атомы: полевой ионный микроскоп и просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения. Однако оба они имеют существенные ограничения по применимости, связанные со специфическими требованиями к форме образцов. В первом случае образцы должны иметь форму острых игл из проводящего материала с радиусом закругления не более 1000 Е, а во втором – тонких полосок толщиной менее 1000 Е. Поэтому изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г. Рорером, работающим в филиале компании ИБМ в Цюрихе, сканирующего туннельного микроскопа, не накладывающего ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

СТМ – первый из семейства зондовых микроскопов. Он стал первым устройством, давшим реальные изображения поверхностей с разрешением до размера атома.

Основное приложение СТМ – это измерение топографии. Именно благодаря своей чрезвычайно высокой чувствительности СТМ способен формировать изображения поверхностей с субангстремной точностью по вертикали и атомным латеральным (т.е. в горизонтальном направлении) разрешением.

Принцип работы СТМ . По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами размера самого атома. Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказываться действие межатомных сил. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

Для обеспечения направленного движения электронов (электрического тока) между такими телами необходимо выполнение двух условий:

У одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;

Между телами требуется приложить разность потенциалов, и ее величина несоизмеримо мала в сравнении с той, что требуется для получения электрического разряда при пробое воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

В процессе сканирования игла движется вдоль образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счет действия обратной связи, и удлинение следящей системы меняется в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот.

Практически, однако, удобнее измерять вариации электрического напряжения, которое подается на пьезоэлемент, удерживающий иглу на фиксированном расстоянии от исследуемой поверхности. Любое изменение этого расстояния вызывает либо уменьшение, либо увеличение управляющего напряжения. Это и дает информацию о рельефе поверхности, которую легко можно ввести в ЭВМ, передать по каналам связи, вывести на экран дисплея и на другие периферийные устройства. Изображение атомного рельефа поверхности получается весьма наглядным.

При работе СТМ расстояние между объектом и зондом L ≈ 0,3...1нм, поэтому вероятность нахождения между ними молекул воздуха при нормальных атмосферных условиях очень мала, т.е. протекание туннельного тока происходит в «вакууме».

Экспоненциальная зависимость туннельного тока I от величины расстояния Z определяет высокую чувствительность измерений. Считается, что с помощью туннелирования можно измерить объекты размером до 0,001 нм.

Для получения СЗМ изображения осуществляют специальным образом организованный процесс сканирования образца. При сканировании зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии (строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, пропорциональная рельефу поверхности, записывается в память компьютера.

Затем зонд возвращается в исходную точку и переходит на следующую строку сканирования, и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ изображения рельефа поверхности Z = f (x , y ) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы позволяют изучать различные свойства поверхности: механические, электрические, магнитные, оптические и многие другие.

Любой механический привод весьма груб, поэтому перемещениями иглы на субатомные расстояния управляют с помощью пьезоэффекта. Керамическая пьезотрубка при подаче на ее электроды управляющего напряжения меняет свою форму и размеры, что позволяет в зависимости от сигнала перемещать иглу по трем координатам. Насколько велика чувствительность микроманипулятора, можно судить по таким цифрам: при изменении напряжения на 1 В игла смещается на величину порядка двух-трех нанометров. Ведя таким образом иглу над поверхностью рельефа, довольно просто получить серию электрических кривых, которые с высокой степенью точности будут описывать характер поверхности.

В зависимости от измеряемого параметра – туннельного тока или расстояния между иглой и поверхностью – возможны два режима работы сканирующего туннельного микроскопа.

В режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над образцом, а ток туннелирования изменяется в зависимости от расстояния до него. Информационным сигналом в этом случае является величина тока туннелирования, измеренная в каждой точке сканирования поверхности образца. На основе полученных значений туннельного тока строится образ топографии.

В режиме постоянного тока система обратной связи микроскопа обеспечивает постоянство тока туннелирования путем подстройки расстояния «игла-образец» в каждой точке сканирования. Она отслеживает изменения туннельного тока и управляет напряжением, приложенным к сканирующему устройству, таким образом, чтобы компенсировать эти изменения. Другими словами, при увеличении тока система обратной связи отдаляет зонд от образца, а при уменьшении – приближает его. В этом режиме изображение строится на основе данных о величине вертикальных перемещений сканирующего устройства.

Оба режима имеют свои достоинства и недостатки. В режиме постоянной высоты можно быстро получить результаты, но только для относительно гладких поверхностей. В режиме постоянного тока можно с высокой точностью измерять нерегулярные поверхности, но измерения занимают больше времени.

Интерес к СТМ объясняется его уникальным разрешением, позволяющим проводить исследования на атомном уровне. При этом для работы микроскопа не обязательно требуется высокий вакуум, в отличие от электронных микроскопов других типов. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур.

Сканирующие зондовые микроскопы позволяют осуществлять три способа исследования поверхностей, такие как:

Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ);

Сканирующая силовая микроскопия (ССМ);

Близкопольная сканирующая микроскопия (БСМ).

Сканирующая туннельная микроскопия

Исторически первым в семействе зондовых микроскопов появился сканирующий туннельный микроскоп. Принцип работы СТМ основан на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле.

Рис. 22. Схема туннелирования электронов через потенциальный барьер в туннельном микроскопе

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояния в несколько ангстрем. Туннельный ток от расстояния зависит экспоненциально, что позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I 0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис. 42).

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя методами. По методу постоянного туннельного тока (рис. 23 (а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y ), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

Рис. 23. Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const . В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 23 (б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений.

Итак, разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает в СТМ долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 24. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

Зонды для туннельных микроскопов

В сканирующих туннельных микроскопах используются зонды нескольких типов. В первое время широкое распространение получили зонды, приготовленные из вольфрамовой проволоки методом электрохимического травления. Процесс приготовления СТМ зондов по данной технологии выглядит следующим образом. Заготовка из вольфрамовой проволоки укрепляется так, чтобы один из ее концов проходил сквозь проводящую диафрагму (Д) и погружался в водный раствор щелочи КОН (рис. 25). Контакт между диафрагмой и вольфрамовой проволокой осуществляется посредством капли КОН, расположенной в отверстии диафрагмы.

Рис. 45. Схема изготовления СТМ зондов из вольфрамовой проволоки с помощью электрохимического травления.

При пропускании электрического тока между диафрагмой и электродом, расположенным в растворе КОН, происходит перетравливание заготовки. По мере травления толщина перетравливаемой области становится настолько малой, что происходит разрыв заготовки за счет веса нижней части. При этом нижняя часть падает, что автоматически разрывает электрическую цепь и останавливает процесс травления.

Другая широко применяемая методика приготовления СТМ зондов – перерезание тонкой проволоки из PtIr сплава с помощью обыкновенных ножниц. Перерезание производится под углом порядка 45 градусов с одновременным натяжением P проволоки на разрыв (рис. 26).

Рис. 26. Схематичное изображение процесса формирования СТМ острия при перерезании проволоки из PtIr сплава.

Процесс формирования острия в этом случае отчасти сходен с процессом изготовления острия из вольфрама. При перерезании происходит пластическая деформация проволоки в месте резки и обрыв ее под действием растягивающего усилия. В результате в месте разреза формируется вытянутое острие с неровным краем с многочисленными выступами, один из которых и оказывается рабочим элементом зонда. Данная технология изготовления СТМ зондов применяется сейчас практически во всех лабораториях и почти всегда обеспечивает гарантированное атомарное разрешение при СТМ исследованиях поверхности.

Измерение локальной работы выхода в СТМ

Для неоднородных образцов туннельный ток является не только функцией расстояния от зонда до образца, но и зависит от значения локальной работы выхода электронов в данном месте поверхности. Для получения информации о распределении работы выхода применяется метод модуляции расстояния зонд-образец ΔZ . С этой целью в процессе сканирования к управляющему напряжению на Z-электроде сканера добавляется переменное напряжение с внешнего генератора на частоте ω . Тогда напряжение на Z-электроде сканера можно представить в виде

Это приводит к тому, что расстояние зонд - образец оказывается промодулированным на частоте ω :

где ΔZ m и U m связаны между собой через коэффициент электромеханической связи пьезосканера K .

Туннельный эффектявляется принципиально квантовомеханическим эффектом, не имеющим аналога в классической физике, и потому представляет огромный интерес. Он основан на корпускулярно - волновом дуализме - двойственной природе элементарных частиц (рис. 5).

С точки зрения классической механики, очевидно, что никакое материальное тело, имеющее энергию E, не может преодолеть потенциальный барьер высотой V0 , если V0>E. Например, если принять за материальное тело мяч, а за потенциальный барьер – очень высокий бетонный забор, то понятно, что если кинуть мяч в сторону забора недостаточно высоко – так, что его энергии не хватит на перелет стоящего перед ним барьера, то он, ударившись о преграду, отскочит назад. Однако если в качестве материального тела рассмотреть электрон, то оказывается, что даже если высота потенциально го барьера выше, чем собственная энергия электрона, то он с определенной вероятностью может оказаться с другой стороны барьера, лишь незначительно изменив свою энергию, как если бы в “заборе” оказалась некая “дырка” или туннель. Это является следствием того, что электрону присущи как корпускулярные, так и волновые свойства. Будь электрон классической частицей, обладающей энергией E, он, встретив на своем пути преграду, требующую для преодоления большей энергии, должен был бы отразиться от этой преграды. Однако, будучи одновременно и волной, он проходит сквозь эту преграду, подобно тому, как рентгеновские волны свободно проходят сквозь материальные объекты.

Классическая частица, обладающая полной энергией E и находящаяся в потенциальном поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в которых ее полная энергия не превышает потенциальную энергию U взаимодействия с полем. Поскольку волновая функция квантовой частицы отлична от нуля во всем пространстве и вероятность нахождения частицы в определенной области пространства задается квадратом модуля волновой функции, то и в запрещенных (с точки зрения классической механики) областях волновая функция отлична от нуля.

Таким образом, над поверхностью любого проводника или полупроводника всегда наблюдается некоторое количество свободных электронов, “вышедших” за его пределы не в результате термоэлектронной эмиссии, а благодаря туннельному эффекту. Если взять два проводящих вещества, расположить их на расстоянии 0,5 нм друг от друга и приложить к ним сравнительно малую разность потенциалов (0,1_1 В), то между ними возникнет электрический ток, обусловленный туннельным эффектом, который называется туннельным током.

Если повторить тот же опыт, но к поверхности интересующего тела поднести острый предмет, например, очень тонкую иглу с кончиком в атом толщиной, то, проводя ею над изучаемым объектом (сканируя его поверхность) можно получать ин формацию о строении объекта на атомном уровне.

В туннельном сканирующем микроскопе система пьезокристаллов, управляемая компьютером, обеспечивает трехкоординатное перемещение металлического зонда на расстоянии порядка 0,1 HM от исследуемой поверхности. Между ней и зондом прикладывают напряжение около 1 В и регистрируют возникающий туннельный ток. Компьютер управляет вертикальным перемещением зонда так, чтобы ток поддерживался на заданном постоянном уровне, и горизонтальными перемещениями по осям c и у (сканированием). Воспроизводимое на дисплее семейство кривых, отвечающих перемещениям зонда, является изображением эквипотенциальной поверхности, поэтому атомы изображаются полусферами различных радиусов.

Достоинства метода сканирующей микроскопии: сверхвысокое разрешение (атомного порядка, 10-2 нм); возможность размещать образец не в вакууме (как в электронных микроскопах), а в обычной воздушной среде при атмосферном давлении, в атмосфере инертного газа и даже в жидкости, что особенно важно для изучения гелеобразных и макромолекулярных структур (белков, ДНК, РНК, вирусов).

Сканирующий зондовый микроскоп

Наиболее молодое и вместе с тем перспективное направление в исследовании свойств поверхности - сканирующая зондовая микроскопия. Зондовые микроскопы имеют рекордное разрешение - менее 0,1 нм Они могут измерить взаимодействие между поверхностью и сканирующим ее микроскопическим острием - зондом - и выводят трехмерное изображение на экран компьютера.

Методы зондовой микроскопии позволяют не только видеть атомы и молекулы, но и воздействовать на них. При этом - что особенно важно - объекты могут изучаться не обязательно в вакууме (что обычно для электронных микроскопов), но и в различных газах и жидкостях.

Изобрели зондовый - сканирующий туннельный микроскоп в 1981 году сотрудники Исследовательского центра фирмы ИБМ Г. Биннинг и X. Рорер (США) Через пять лет за это изобретение они были удостоены Нобелевской премии.

Биннинг и Рорер попытались сконструировать прибор для исследования участков поверхности размером менее 10 нм. Итог превзошел самые смелые ожидания: ученым удалось увидеть отдельные атомы, размер которых в поперечнике составляет лишь около одного нм. Очень тонкое металлическое острие - отрицательно заряженный зонд - подводится на близкое расстояние к образцу, тоже металлическому, заряженному положительно. В тот момент, когда"расстояние между ними достигнет несколько межатомных расстояний, электроны начнут свободно проходить через него - "туннелировать": через зазор потечет ток

Важное значение для работы микроскопа имеет резкая зависимость силы туннельного тока от расстояния между острием и поверхностью образца. При уменьшении зазора всего на 0,1 нм ток возрастет примерно в 10 раз. Поэтому даже неровности размером с атом вызывают заметные колебания величины тока.

Чтобы получить изображение, зонд сканирует поверхность, а электронная система считывает величину тока. В зависимости от того, как эта величина меняется, острие либо опускается или поднимается. Таким образом, система поддерживает величину тока постоянной, а траектория движения острия повторяет рельеф поверхности, огибая возвышенности и углубления (рис. 6).

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра

Схема работы сканирующего туннельного микроскопа

Рабочим органом СТМ - зондом - служит токопроводящая металлическая игла. Зонд подводится к изучаемой поверхности на очень близкое расстояние (~0,5 нм) и при подаче на зонд постоянного напряжения между ними возникает туннельный ток.

Острие перемещает пьезосканер, который представляет собой манипулятор из материала, способного изменяться под действием электрического напряжения. Пьезосканер чаще всего имеет форму трубки с несколькими электродами, которая удлиняется или изгибается, перемещая зонд по разным направлениям с точностью до тысячных долей нанометра.

При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным с эффективной высотой, равной средней работе выхода материалов:

Как известно из квантовой механики, вероятность туннелирования электрона (коэффициент прохождения) через одномерный барьер прямоугольной формы равна

где A 0 - амплитуда волновой функции электрона, движущегося к барьеру; At -амплитуда волновой функции электрона, прошедшего сквозь барьер; k – константа затухания волновой функции в области, соответствующей потенциальному барьеру; ΔZ - ширина барьера. Для туннельного контакта двух металлов константу затухания можно представить в виде

где m - масса электрона, ϕ * - средняя работа выхода электрона, h – постоянная Планка. При приложении к туннельному контакту разности потенциалов V между зондом и образцом появляется туннельный ток.

Информация о движении острия преобразуется в изображение поверхности, которое строится по точкам на экране. Участки разной высоты для наглядности окрашиваются в различные цвета.

В идеале на конце острия зонда должен находиться один неподвижный атом. Если же на конце иглы случайно оказалось несколько выступов, изображение может двоиться, троиться. Для устранения дефекта иглу травят в кислоте, придавая ей нужную форму.

Более подробно формирование изображения с помощью сканирующего туннельного микроскопа приведено на рис. 7.

Рис.7 . Формирование СТМ изображений поверхности по методу постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б)

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности по методу постоянной высоты Z = const . В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 7 (б)). Сканирование производится либо при отключенной обратной связью (ОС), либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда.

Рис. 8. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе

С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов.

С помощью туннельного микроскопа удалось сделать ряд открытий. Например, обнаружили, что атомы на поверхности кристалла расположены не так, как внутри, и часто образуют сложные структуры.

С помощью туннельного микроскопа можно изучать лишь проводящие ток объекты. Однако он позволяет наблюдать и тонкие диэлектрики в виде пленки, когда их помещают на поверхность проводящего материала. И хотя этот эффект еще не нашел полного объяснения, тем не менее его с успехом применяют для изучения многих органических пленок и биологических объектов - белков, вирусов.

Возможности микроскопа велики. С помощью иглы микроскопа даже наносят рисунки на металлические пластины. Для этого используют в качестве "пишущего" материала отдельные атомы - их осаждают на поверхность или удаляют с нее. Таким образом, в 1991 году сотрудники фирмы ИБМ написали атомами ксенона на поверхности никелевой пластины название своей фирмы - IBM. Букву "I" составили всего 9 атомов, а буквы "В" и "М" - 13 атомов каждую.

Атомно-силовые микроскопы (ACM)

Сканирование в контакте с образцом довольно часто приводит к его деформации и разрушению. Воздействие зонда на поверхность может быть полезным, например, при изготовлении микросхем. Однако зонд способен легко порвать тонкую полимерную пленку или повредить бактерию, вызвав ее гибель. Чтобы избежать этого, кантилевер приводят в резонансные колебания вблизи поверхности и регистрируют изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний, вызванных взаимодействием с поверхностью. Такой метод позволяет изучать живые микробы колеблющаяся игла действует на бактерию, как легкий массаж, не причиняя вреда и позволяя наблюдать за ее движением, ростом и делением

В 1987 году И. Мартин и К. Викрамасингх (США) предложили в качестве зондирующего острия использовать намагниченную микроиглу. В результате появился магнитно-силовой микроскоп.

Такой микроскоп позволяет разглядеть отдельные магнитные области в материале - домены - размером до 10 нм. Его также применяют и для сверхплотной записи информации, формируя на поверхности пленки домены с помощью полей иглы и постоянного магнита. Подобная запись в сотни раз плотнее, чем на современных магнитных и оптических дисках.

На самом деле, туннельный микроскоп, в отличие от привычного оптического, не дает в прямом смысле увеличенное изображение объекта. Удивительная трехмерная картинка с атомами – всего лишь интерпретация результатов взаимодействия иглы и поверхности образца, график, показывающий, как меняется ток при движении иглы параллельно поверхности.

На рис. 7 показано изображение, полученные в СТМ.

СТМ имеет одно существенное ограничение: объект исследования должен быть проводящим – металл или полупроводник, иначе не будет туннельного тока. Получается, что в туннельный микроскоп нельзя «рассмотреть» ни один изолятор, например алмаз. Пока осваивали туннельный метод, появилась новая идея: в 1986 году Биннинг предложил вариант микроскопа, названного атомно-силовым.

Лекция 7 (2 часа). Атомно-силовой микроскоп

Принципы действия атомно-силового и туннельного мик­роскопов практически одинаковы, только в отличие от тун­нельного работа атомно-силового микроскопа основана на ис­пользовании сил межатомных связей. На малых расстояниях (около 0,1 нм) между атомами двух тел действуют силы отталки­вания, а на больших - силы притяжения.

В сканирующем атомно-силовом микроскопе такими тела­ми служат исследуемая поверхность и скользящее над нею ост­рие. В качестве зонда в АСМ обычно используется алмазная иг­ла. При изменении силы F, действующей между поверхностью и острием, пружинка, на которой оно закреплено, отклоняется, и это регистрируется датчиком. Величина отклонения упругого элемента (пружинки) несет информацию о рельефе поверхности.

В общем, туннельный и атомно-силовой микроскопы очень похожи, но у них есть одно важное отличие - конструкция иглы. В туннельном игла принципиально закреплена очень жестко и никогда не должна касаться поверхности, а в атомно-силовом обязательно на упругом подвесе (кантилевере) и может работать даже в прямом контакте с образцом. Для СТМ чем острее игла, тем лучше, а в атомно-силовом микроскопе слишком острая игла будет давать слишком маленький сигнал, который трудно зарегистрировать. Первое время кантилеверы для АСМ делали из золотой фольги с алмазным наконечником или из бытовой алюминиевой фольги с вольфрамовой проволочкой, а потом перешли на кремниевые, которые широко используются до сих пор. Колебания кантилевера регистрируют с помощью напыленного на него маленького, зеркальца.

Атомно-силовой микроскоп (АСМ) был изобретён в 1986 году Гердом Биннигом, Кэлвином Куэйтом и Кристофером Гербером. В основе работы АСМ лежит силовое взаимодействие между зондом и поверхностью, для регистрации которого используются специальные зондовые датчики, представляющие собой упругую консоль с острым зондом на конце (рис. 7). Сила, действующая на зонд со стороны поверхности, приводит к изгибу консоли. Регистрируя величину изгиба, можно контролировать силу взаимодействия зонда с поверхностью.

По мере приближения иглы к поверхности ее атомы все сильней притягиваются к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать, пока игла и поверхность не сблизятся нас­только, что их электронные облака начнут отталкиваться элект­ростатически. При дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами около 0,2 нм.

Рис.11. Схематическое изображение зондового датчика АСМ

Качественно работу АСМ можно пояснить на примере сил Ван-дер-Ваальса.

Наиболее часто энергию ван-дер-ваальсова взаимодействия двух атомов, находящихся на расстоянии r друг от друга, аппроксимируют степенной функцией – потенциалом Леннарда-Джонса:

Первое слагаемое в данном выражении описывает дальнодействующее

притяжение, обусловленное, в основном, диполь - дипольным взаимодействием атомов. Второе слагаемое учитывает отталкивание атомов на малых расстояниях. Параметр ro – равновесное расстояние между атомами, 0 U - значение энергии в минимуме, (рис.12).

Рис. 12. Качественный вид потенциала Леннарда – Джонса

Потенциал Леннарда-Джонса позволяет оценить силу взаимодействия зонда с образцом. Общую энергию системы можно получить, суммируя элементарные взаимодействия для каждого из атомов зонда и образца, (рис.12).

Рис. 13. К расчету энергии взаимодействия зонда и образца

Тогда для энергии взаимодействия получаем:

где n (r) S и n (r") P - плотности атомов в материале образца и зонда.

Соответственно сила, действующая на зонд со стороны поверхности, может быть вычислена следующим образом:

В общем случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет более сложный характер, однако основные черты данного взаимодействия сохраняются - зонд АСМ испытывает притяжение со стороны образца на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Лекция 8 (2ч.). Средства сканирования поверхности. Разновидности АСМ .

Получение АСМ изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов упругой консоли зондового датчика. В атомно-силовой микроскопии для этой цели широко используются оптические методы (рис. 14).

Рис. 14. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового датчика АСМ

Оптическая система АСМ юстируется таким образом, чтобы излучение

полупроводникового лазера фокусировалось на консоли зондового датчика, а

отраженный пучок попадал в центр фоточувствительной области фотоприемника. В качестве позиционно - чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.

Рис. 15. Соответствие между типом изгибных деформаций консоли зондового датчика и изменением положения пятна засветки на фотодиоде

Основные регистрируемые оптической системой параметры - это деформации изгиба консоли под действием Z-компонент сил притяжения или отталкивания (FZ ) и деформации кручения консоли под действием латеральных компонент сил (FL ) взаимодействия зонда с поверхностью. Если обозначить исходные значения фототока в секциях фотодиода через I01, I02, I03, I04 , а через I1, I2, I3, I4 - значения токов после изменения положения консоли, то разностные токи с различных секций фотодиода ΔIi = Ii - I0i будут однозначно характеризовать величину и направление изгиба консоли зондового датчика АСМ. Действительно, разность токов вида

пропорциональна изгибу консоли под действием силы, действующей по нормали к поверхности образца (рис. 15 (а)).

А комбинация разностных токов вида

характеризует изгиб консоли под действием латеральных сил (рис. 15 (б)). Величина ΔI Z используется в качестве входного параметра в петле обратной

связи атомно-силового микроскопа. Система обратной связи (ОС) обеспечивает Δ I Z = const с помощью пьезоэлектрического исполнительного

элемента, который поддерживает изгиб консоли ΔZ равным величине ΔZ 0, задаваемой оператором

Рис. 16. Упрощенная схема организации обратной связи в атомно-силовом микроскопе

При сканировании образца в режиме ΔZ = const зонд перемещается вдоль поверхности, при этом напряжение на Z-электроде сканера записывается в память компьютера в качестве рельефа поверхности Z = f (x,y ). Пространственное разрешение АСМ определяется радиусом закругления зонда и чувствительностью системы, регистрирующей отклонения консоли. В настоящее время реализованы конструкции АСМ, позволяющие получать атомарное разрешение при исследовании поверхности образцов.

Поскольку АСМ не требует, чтобы образцы были проводящими, он позволяет исследовать свойства проводников и изоляторов, молекул ДНК и других мягких материалов.

Сегодня СТМ и АСМ уже стали широко распространенными исследовательскими инструментами. Появилась целая индустрия, где можно найти всё: от игл и кантилеверов до сложных исследовательских комплексов. И тем не менее работа с туннельным микроскопом, как и 20 лет назад, остается уделом профессиональных физиков. Чтобы получить даже на фирменном СТМ за полмиллиона долларов изображение какого-нибудь необычного материала с разрешением в сотые доли ангстрема, потребуется немалое мастерство.

И все же туннельный микроскоп при достаточном умении и средствах не только наблюдать, но и создавать уникальные картины. Когда напряжение между иглой образцом и иглой несколько больше, чем в рабочем режиме туннелирования, атом образца (на самом деле ион) может «перескочить» на иглу. Сменив напряжение, можно заставить его «спрыгнуть» обратно. Если в промежутке между этими событиями игла сдвинулась, атом вернется уже на другое место. Подучается, что можно как угодно манипулировать атомами! Всё, что для этого нужно, - хороший туннельный микроскоп, охлажденный до нескольких градусов выше абсолютного нуля (чтобы атомы не разбегались под действием теплового движения), подходящая игла и масса терпения. Первыми продемонстрировали ловкость рук сотрудники IBM. Они выложили логотип своей фирмы атомами ксенона на поверхности никеля (рис. 17).

Рис. 17. Логотип IBM из атомов ксенона

С тех пор прошло уже больше 15 лет, но до сих пор такое развлечение могут себе позволить всего лишь несколько исследовательских групп в мире.

Атомно-силовая микроскопия оказалась настолько эффективной, что на ее основе были созданы другие специфические методики, позволяющие получать картины не только рельефа поверхности, но и многих других показателей. В частности, на сегодняшний день наиболее распространены следующие разновидности АСМ:

1. Магнитно-силовой микроскоп (МСМ) в качестве зонда использует намагниченное острие. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в качестве карты намагниченности.

2. Электро-силовой микроскоп (ЭСМ) - в нем острие и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца.

3. Сканирующий тепловой микроскоп регистрирует распределение температуры по поверхности образца. Его разрешение достигает порядка 50 нм, так как в меньших масштабах такая макроскопическая характеристика вещества как температура не применима.

4. Сканирующий фрикционный микроскоп "скребется" по поверхности, составляя карту сил трения.

5. Магниторезонансный микроскоп позволяет получать изображение спинов отдельных электронов, отслеживая реакцию поверхности на быстро изменяющееся магнитное поле зонда.

6. Атомно-силовой акустический микроскоп позволяет очень точно измерять модуль Юнга в каждой точке как мягких, так и твердых образцов. Одним из недостатков АСМ является невозможность изучить глубинную структуру образца - ведь зонд скользит по поверхности и не может заглянуть внутрь. Однако и это ограничение удалось обойти - ученые уже построили настоящий дизассемблер, названный трехмерным атомно-зондовым томографом, который сканирует небольшой участок, потом «выщипывает» слой толщиной в один атом и сканирует участок снова, записывая параметры каждого нового атома. Современные томографы успевают «выщипать» 20.000 атомов в секунду - т.е. 72 миллиона атомов в час.

Нанотехнология - это технология общего назначения, то есть она применима во всех сферах производства, как то в:

1. Материаловедении;

2. Авиации и космонавтики;

3. Электроники, компьютерных технологиях, робототехнике;

4. Промышленности;

5. Вооружении;

6. Медицине;

Агафонов Кирилл

Проектно-исследовательская работа

Скачать:

Предварительный просмотр:

ГОУ Средняя общеобразовательная школа №301

Московский Государственный Технологический Университет

“Станкин”

Проектно-исследовательская работа

на тему:

“Туннельный микроскоп как инструмент нанотехнологий”

Выполнил: ученик 11а класса

Агафонов Кирилл Сергеевич

Научный руководитель: кандидат технических наук

Богомолов Алексей Валентинович

Учитель физики: магистр техники и технологий

Пестрецов Владимир Викторович

Москва, 2006г.

1.Введение…………………………………………………..3

2. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа…………………………………………………4

2.2. Что такое туннельный эффект?....................................4

3. Технические возможности туннельного микроскопа...9

3.2. Области применения………………………………….10

4. Нанотехнологии. Перспективы развития…………...…12

5.Заключение…………………………………………….…16

6.Список литературы………………………………………17

1. Введение.

Физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро и наноэлектроники , исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности твердых тел. Остается актуальной задачей и заветное желание ученых на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности твердого тела и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.

Первостепенное значение для понимания свойств любого объекта имеет знание его атомной структуры, поэтому определение поверхностных структур - один из наиболее важных разделов физики поверхности. Последние 30 лет микроструктура поверхностей твердых тел интенсивно изучалась методами дифракции и рассеяния электронных и ионных пучков. Однако большинство этих методов первоначально разрабатывалось для исследования объемной структуры твердых тел, поэтому они не всегда годятся для получения информации о структуре поверхности, тем более на атомном уровне. Изобретение в 1982 году Г. Биннигом и Г.Рорером сканирующего туннельного микроскопа , который не накладывает ограничений на размеры образцов, реально открыло двери в новый микроскопический мир.

2 . Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа .

По своей природе электрон обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Расчеты показывают, что волновые функции электронов в атоме отличны от нуля и за пределами сферы, соответствующие поперечнику эффективного сечения атома (размеру атома). Поэтому при сближении атомов волновые функции электронов перекрываются раньше, чем начинает существенно сказывается действие межатомных сил отталкивания. Появляется возможность перехода электронов от одного атома к другому. Таким образом, возможен обмен электронами и между двумя телами, сближенными без соприкосновения, то есть без механического контакта.

1. у одного тела должны быть свободные электроны (электроны проводимости), а у другого – незаполненные электронные уровни, куда могли бы перейти электроны;
2. между телами требуется приложить разность потенциалов, и её величина несоизмерима мола в сравнении с той, что требуется для получения электрического заряда при пробе воздушного диэлектрического зазора между двумя телами.

Электрический ток, возникающий при заданных условиях, объясняется туннельным эффектом и называется туннельным током.

2.2. Что такое туннельный эффект?

Туннельным эффектом называется возможность элементарной частице,

Например электрону, пройти (протуннелировать) через потенциальный барьер, когда энергия барьера выше полной энергии частицы. Возможность существования туннельного эффекта в микромире была понята физиками в период создания квантовой механики, в 20-30-х годах нашего века. В дальнейшем за счёт туннельного эффекта были объяснены некоторые весьма важные явления, обнаруженные экспериментально в различных областях физики.

Рис.1 а - принцип действия СТМ: р x , р y , р z - пьезоэлементы; - туннельный вакуумный промежуток между острием-зондом и образцом; I t - туннельный ток; б - схема, иллюстрирующая работу СТМ. Туннельный ток, возникающий при приложении напряжения V s , поддерживается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением острия с помощью пьезоэлемента р z . Запись осциллограммы напряжения V z в цепи обратной связи при одновременном воздействии пилообразного напряжения развертки вдоль осей x и y образует туннельное изображение, являющееся своего рода репликой поверхности образца

Принцип действия сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) довольно прост, но кардинально отличается от всех предшествующих методик, применявшихся в физике поверхности. Тонкое металлическое острие, смонтированное на электромеханическом приводе (X , Y , Z -позиционере), служит зондом для исследования участков поверхности образца (рис. 1 а ). Когда такое острие подводится к поверхности на расстояние , то при приложении между острием и образцом небольшого (от 0,01 до 10 В) напряжения смещения V s через вакуумный промежуток начинает протекать туннельный ток I t порядка 10 -9 . Полагая, что электронные состояния локализованы на каждом атомном участке, при сканировании поверхности образца в направлении X и / или Y с одновременным измерением выходного сигнала в цепи можно получить картину поверхностной структуры на атомном уровне.

Существуют два варианта режима работы СТМ: режим постоянной высоты и режим постоянного тока.

А б

Рис.2 . Варианты работы СТМ. а)Режим постоянной высоты. Б)Режим постоянного тока.

При работе в режиме постоянной высоты острие иглы перемещается в горизонтальной плоскости над исследуемой поверхностью (рис.2а). Туннельный ток при этом изменяется и по этим изменениям легко может быть определен рельеф поверхности образца.

При работе в режиме постоянного тока (рис.2б) используется система обратной связи, которая поддерживает постоянным туннельный ток за счет перемещения острия иглы в вертикальном направлении. В этом случае информация о рельефе поверхности получается на основании данных о перемещении иглы.

Вообще СТМ можно рассматривать как сочетание трех концепций: сканирования, туннелирования и локального зондирования. Само сканирование как средство отображения объекта широко применяется и в других типах микроскопов, например в растровом электронном микроскопе, а также в телевизионной технике, а электронное туннелирование с успехом использовалось для изучения физических свойств твердого тела задолго до появления СТМ (как и контактная спектроскопия). Все это делает СТМ уникальным микроскопом, который не содержит линз, а значит, изображение не искажается из-за аберраций, энергия электронов, формирующих изображение, не превышает нескольких электронвольт (то есть меньше энергии типичной химической связи), что обеспечивает возможность неразрушающего контроля объекта, тогда как в электронной микроскопии высокого разрешения она достигает нескольких килоэлектронвольт и даже мегаэлектронвольт, вызывая образование радиационных дефектов.

Несмотря на свою простоту, конструирование и изготовление СТМ до сих пор остается трудной задачей. Даже в наши дни существует немного лабораторий, располагающих СТМ, которые работали бы с истинно атомным разрешением. Все СТМ можно разделить на две основные группы: работающие на воздухе (или в другой среде) и в условиях сверхвысокого вакуума. Выделяют также низкотемпературные СТМ, работающие в условиях криогенных температур. В дальнейшем будем говорить только о сверхвысоковакуумных СТМ, работающих при комнатной температуре. Перечислим основные проблемы, стоящие перед разработчиками:

1) изоляция от акустических и механических вибраций;

2) создание быстродействующей малошумящей электроники, работающей в широком динамическом диапазоне;

3) обеспечение надежных сверхвысоковакуумных условий, допускающих различные манипуляции с образцом;

4) изготовление тонких атомногладких острий-зондов и их диагностика.

Для решения первоначально казавшейся непреодолимой проблемы виброизоляции Бинниг и Рорер в своей первой конструкции использовали даже сверхпроводящий магнитный подвес для размещения образца и сканирующего узла. В дальнейшем эту проблему удалось решить используя специальную подвеску в вакууме всего микроскопа на длинных пружинах и разместив сканирующий узел на массивном виброизолирующем столике. Для подвода острия-зонда к образцу на расстояние , равное нескольким ангстремам, и сканирования вдоль поверхности использовался пьезодвигатель на основе пьезоэлектриков - это такие материалы, которые изменяют свои размеры под действием управляющего напряжения (рис. 1 а).

Схема, демонстрирующая устройство СТМ и его работу, приведена на рис 1б. На пьезоэлемент p z подается напряжение с выхода усилителя обратной связи, которое определяет величину зазора между образцом и острием и тем самым величину туннельного тока. Сам туннельный ток должен быть все время пропорционален заданному току, что поддерживается благодаря управляемой компьютером цепи обратной связи. На пьезоэлементы p x и p y под управлением того же компьютера подаются пилообразные напряжения, формирующие строчную и кадровую развертки (растр) подобно тому, как это осуществляется в телевидении. Осциллограммы напряжения V z запоминаются компьютером, после чего преобразуются в зависимость z (x , y ), отображающую траекторию движения острия и, таким образом, являющуюся туннельным изображением поверхности образца. Как правило, записанные сигналы подвергаются фильтрации и дополнительной компьютерной обработке, позволяющей представить туннельные изображения в режиме так называемой серой шкалы, в котором контраст изображения коррелирует с рельефом поверхности: светлые пятна соответствуют более высоко расположенным областям и наоборот. И в процессе работы даже с первым вариантом СТМ в марте 1981 года (всего через 27 месяцев после того, как была сформулирована его базовая концепция!) была экспериментально доказана характерная для туннелирования экспоненциальная зависимость тока I t от расстояния острие-образец. День 16 марта 1981 года считается датой рождения сканирующей туннельной микроскопии.

3. Технические возможности туннельного микроскопа.

Основными техническими характеристиками СТМ являются разрешение по нормали к исследуемой поверхности объекта и разрешение в плоскости XY. Реальное разрешение СТМ зависит от ряда факторов, основными из которых являются внешние вибрации, акустические шумы и качество приготовления зондов. На рис.3 показана структура свежего скола по кристаллографической плоскости высокоориентированного пиролитического графита.

Изображения структур на рис. 3, а, б, в получены в условиях низкого, среднего и высокого уровней помех.

Рис. 3. Изображение структуры поверхности свежего скола по кристаллографической плоскости (0001) высокоориентированного пиролитического графита при разных уровнях помех а, б, в.

Изображение структуры на рис.3, в получено в обычных лабораторных условиях, то есть при высоких уровнях помех.

Помимо разрешения микроскопа его важной характеристикой является полезное увеличение. Для СТМ полезное увеличение составит около 7 млн. раз (для сравнения: у оптического микроскопа - 1000 раз).

Другая важная характеристика СТМ – максимальный размер поля сканирования в плоскости XY и максимальное перемещение зонда по нормали к поверхности. Первые конструкции СТМ имели очень малое поле сканирования (не более 1 1 мкм).

Технические возможности СТМ могут быть существенно расширены. С этой целью проводят энергетический анализ туннелирующих электронов, т.е. получают спектральную зависимость туннельного тока.

3.2. Области применения .

1. Физика и химия поверхности на атомном уровне .

С помощью туннельной микроскопии удалось осуществить реконструкцию атомного строения поверхности многих материалов. СТМ позволяет получать спектр электронных состояний с атомным разрешением и определять химический состав поверхностного слоя, распределение потенциалов при протекании тока через образец и др.

2. Нанометрия – исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности образца.

3. Нанотехнологии – исследование, изготовление и контроль приборных структур в микроэлектронике.

На основе СТМ, в частности, возможны запись и воспроизведение информации. При записи используют эффект локального воздействия зонда на поверхность носителя информации. Это воздействие может быть механическим, создающим на поверхности искусственный рельеф в виде ямок – битов памяти. Искусственный рельеф может создаваться и путём термодесорбции. В этом случае зонд выступает в роли носителя материала для создания битов информации. Зонд может использоваться также и в роли точечного источника электронов для осуществления электронной литографии, химических или структурных локальных перестроек поверхности.

При записи информации методом электронной литографии (нанолитографии) через острие зонда пропускают кратковременно большой силы туннельный ток I т при повышенной разности потенциалов U , происходит эмиссия электронов или ионов с острия на поверхность объекта или наоборот, и образуются на поверхности ямки или впадины, которые и несут бит информации. Плотность записи достигает до 10 12 бит/см 2 . Для сравнения: плотность записи на современном накопителе информации, где использован магнитный эффект (магнитные диски), составляет 10 7 бит/см 2 , при лазерном воздействии (компакт диски - CD) – до 10 9 бит/см 2 .

4. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур.

Следует отметить, что большая часть (примерно 80%) всех опубликованных работ относится к первой группе областей применения СТМ. В последнее время увеличивается количество публикаций относящихся к четвёртой группе.

5. СТМ имеет широкие перспективы в области материаловедения - при изучении микро-, суб- и кристаллических структур различных материалов. Объектами для исследования структуры материалов на СТМ могут служить, как и в других случаях (оптическая и электронная микроскопия), микрошлифы. Рельеф микрошлифа, получаемый при травлении, будет отражать структуру материала. Исследование рельефа на СТМ с высоким разрешением позволит выявить особенности, прежде всего, субструктурного строения. Представляется, что метод сканирующей туннельной микроскопии откроет широкие возможности для исследования дефектов кристаллического строения (вакансий, дислокаций и т.д.), различных сегрегаций атомов, в том числе и при фазовых превращениях, особенно на их ранних стадиях. Определение, наряду с изучением структуры материала, химического состава локальных зон поверхностного слоя объекта (СТМ-спектроскопия), позволит составить конкуренцию растровой электронной микроскопии, микрорентгеноструктурному анализу, превосходя последний по уровню разрешения.

Работ в области материаловедения, особенно фундаментального характера, с использованием СТМ пока крайне мало. В настоящее время имеются работы по исследованию на СТМ некоторых металлов и сплавов, плёнок металлов толщиной от 0,5 нм, дифракционных решёток (изготовленных методами микроэлектроники и голографии), полупроводников, ферритовых головок, усталостных трещин в металлических материалах, углеродных микропористых фильтров, алмазоподобных плёнок, металлических монокристаллов, теплоизолирующих материалов на основе спечённых кварцевых волокон, порошковых материалов, алмаза и других природных камней, фуллеренов и подобных им образований, плёнок жидких кристаллов и др. Эти исследования в основном связаны с выявлением структуры различных материалов.

4 . Нанотехнологии. Перспективы развития.

Физики исследовательского центра компьютерного концерна IBM Almaden в Калифорнии решили применить для разработки новых вычислительных систем на нанометровом и атомарном уровне принцип домино. Роль камней домино выполняют молекулы, которые при "падении" образуют цепочки, позволяющие производить математические операции.
Для своих исследований ученые используют сканирующий туннельный микроскоп – изобретение немецкого физика Герда Биннинга (Gerd Binning), получившего за него Нобелевскую премию в 1986 году. Намагниченная игла микроскопа приближается почти вплотную к поверхности носителя, между ними – вследствие так называемого туннельного эффекта – возникает электрический ток. Его величина поддерживается на одном и том же уровне. По мере продвижения вдоль носителя игла то удаляется от поверхности, то приближается к ней, как бы "прощупывая" своеобразный атомарный "рельеф".
По большому счету, туннельный микроскоп во многом напоминает знакомый с детства проигрыватель пластинок, только в нём игла бежит не по неровностям виниловой дорожки, а по атомам поверхности носителя. Исследование рельефа проходит без непосредственного соприкосновения с поверхностью, но несмотря на это, исследователям уже удается перемещать атомы с места на место, выстраивая из них некое подобие детского конструктора Lego. Игла проигрывателя несёт по поверхности пластинки крохотные частицы пыли, как бы толкая их перед собой. То же самое способен проделывать и туннельный микроскоп, только с микрочастицами.
Уже давно физикам IBM удалось выложить фирменный знак (рис.4) своего концерна из отдельных атомов.

Рис. 4. Фирменный знак IBM.

Однако это, можно сказать, ничто по сравнению с результатами, которых недавно добился руководитель лаборатории Андреас Хайнрих (Andreas Heinrich):
"Мы показали, что способны не только рисовать на поверхности атомарные граффити, но и выстраивать активные логические структуры из отдельных атомов, что позволит в будущем использовать подобные технологии для создания сверхминиатюрных компьютеров".
Хайнрих и его коллеги работают не с атомами, а с незначительно превышающими их по размерам молекулами угарного газа. Согласно определённой схеме ученые расположили 550 молекул на поверхности с медным покрытием. Андреас Хайнрих приводит для наглядности аналогию с костяшками домино, падающими в определенной последовательности или остающимися стоять на поверхности стола. У костяшек есть всего две возможности – они или лежат, или стоят. Так же и с молекулами окиси углерода: они или остаются на своем месте или сдвигаются на одну позицию дальше.
По словам Андреаса Хайнриха, расстояние между двумя позициями составляет четверть нанометра. Молекула "перепрыгивает" на следующую позицию и сталкивает соседнюю молекулу с места. Таким образом возникает цепная реакция.
И самое важное: Хайнрих установил молекулы так, что они могут взаимодействовать друг с другом, встречаясь в условленных пунктах. Эти "места встреч" и являются элементами логических цепочек. Они справляются с простыми вычислительными операциями такими, например, как логическое умножение:
"Логическое умножение предусматривает два входных импульса и один выходной. Возникновение выходного импульса возможно лишь при подаче обоих входных. Это означает, что если поступил только один из них, то выходного импульса не будет".

В общей сложности физики выстроили шесть различных логических операций. Они соединены определенным образом и представляют собой своего рода вычислительную машину. Действие этого захватывающего представления разворачивается на поверхности размером в 12 на 17 нанометров. Для сравнения: в сегодняшних компьютерных чипах один транзистор занимает площадь в 2.000х2.000 нанометров. Итак, вычисления на нанометровом уровне стали реальностью.
Однако впадать в эйфорию рано. У этой многообещающей технологии есть один существенный недостаток: так же, как и ряды из костяшек домино, которые можно опрокинуть лишь один раз, исследователи вынуждены всё время выстраивать наши структуры от молекулы к молекуле. То есть, для того, чтобы произвести новое вычисление, необходимо при помощи туннельного микроскопа заново приводить каждую молекулу в её первоначальное состояние. А длится этот процесс может часами. Так что пока конкурировать с "Пентиумом" нано-домино не в состоянии:
"Необходимо иметь в виду, что речь здесь идет не о презентации готовой компьютерной технологии. Важно то, что эксперимент доказал возможность создания компьютерных систем на атомарном уровне".
Ученый поделился своими планами на будущее. Вместо того, чтобы приводить в движение молекулы механическим путем, физики при помощи электромагнитных полей будут менять направление вращения ядер атомов - "ядерные спины". Этим уже занимаются исследователи бостонской лаборатории MIT Media Lab, работающие над созданием так называемых "квантовых компьютеров", которые также работают со специальными молекулами.

5. Заключение .

Мы кратко рассмотрели историю создания СТМ и получения структурных и электронных изображений поверхности с атомным разрешением. С момента своего изобретения СТМ широко используется учеными самых разных специальностей, охватывающих практически все естественнонаучные дисциплины, начиная от фундаментальных исследований в области физики, химии, биологии и до конкретных технологических приложений. Принцип действия СТМ настолько прост, а потенциальные возможности так велики, что невозможно предсказать его воздействие на науку и технику даже ближайшего будущего.

6. Список литературы .

1. От субмикронной к нанотехнологии. / Ю.С.Борисов, В.В.Ракитин, Н.С.Самсонов/

2. Физические основы полупроводниковой нанотехнилогии. /Белявский В.И./

3. Нанотехнология с помощью СТМ. /Неволин В.К., Хлебников Ю.В., Шермегор Т.Д. /

4. Нанологические процессы и установки. /Лускинович П.Н./

5. Наноиндустрия и микросистемы. /Алексенко А.Г/

6. СТМ – измерительное средство нонотехнологии./А.Бычихин, М.О.Галлямов, В.В.Потёмкон, А.В.Степанов, И.В.Яминский/

Стр. из

С помощью сканирующего туннельного микроскопа можно разглядеть отдельные атомы вещества без обычного в таких исследованиях вакуума и при комнатной температуре.

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), созданный 30 лет назад в лаборатории IBM в Цюрихе, с тех пор удерживает пальму первенства по разрешению среди прочих микроскопических методов - ведь он может «рассмотреть» отдельные атомы вплоть до водорода. И не просто рассмотреть – с помощью СТМ можно измерить электронную структуру поверхности, и даже «подвинуть» молекулу или даже отдельный атом.

Устройство сканирующего туннельного микроскопа.

Модификация зонда с помощью фуллерена.

Сканирование поверхности эпитаксиального графена с помощью модифицированного зонда.

Сканирование поверхности дисульфида молибдена с помощью модифицированного зонда.

Принцип работы СТМ основан на эффекте квантового туннелирования. В необычном мире квантовой механики электрону соответствует волновая функция. Она описывает распределение вероятности того, что электрон находится в определённом месте с определённой энергией – в пределах принципа неопределённости Гейзенберга. То есть невозможно определить положение или момент частицы с абсолютной точностью. Таким образом, если электрон находится рядом с потенциальным барьером (в случае туннельного микроскопа роль такого барьера играет промежуток между кончиком зонда и поверхностью), то существует конечная вероятность, что электрон может оказаться по другую сторону этого барьера – на поверхности образца. То есть, вопреки нашей «макро-интуиции», если бросить мячик-электрон об стенку-барьер, то он не отскочит, а туннелирует сквозь стенку и продолжит движение по другую её сторону.

Туннельный эффект сканирующего туннельного микроскопа позволяет изучать как топологию и структуру поверхности микроскопируемого образца, так и её химического состава (см. Рис.1). Прибор «сканирует» поверхность с помощью находящегося под напряжением зонда–иглы, тонкого настолько, что на его кончике умещаются всего несколько атомов. При расстоянии между зондом и поверхностью порядка 0,4–0,7 нм электрон туннелирует на поверхность образца. Ток таких электронов зависит от напряжения на зонде, локальной плотности состояний конкретного атома поверхности, а так же от расстояния между зондом и поверхностью (в последнем случае возникает экспоненциальная зависимость).

У СТМ есть два режима сканирования. При одном из них система обратной связи поддерживает заданное значение туннельного тока, и топография поверхности воспроизводится на основе последовательности движения зонда. При втором режиме зонд сохраняет заданное расстояние от поверхности, и микроскоп отслеживает изменения туннельного тока. В обоих случаях положение зонда отслеживается с помощью пьезо-элементов. Пьезоэлектриками называют материалы, которые меняют свой размер в зависимости от проходящего через них тока (и наоборот – при изменении размера в них меняется ток). Поскольку они обладают сверхточным откликом, они служат распространённым инструментом для очень точного перемещения объектов.

Обычно сканирование проходит в несколько этапов. Сначала, чтобы получить представление о топологии поверхности на данном участке, делается общий скан площадью порядка 1–1,5 микрон. Потом обследуется участок размером около 100 нм, выбранный на основе предыдущего скана, и так далее, пока не мы не дойдём уже до непосредственных измерений того, что нам нужно. Это может быть замер расстояний между атомами, изучение структуры поверхности, карта плотности атомных состояний; с помощью микроскопа можно также манипулировать конкретным атомом или молекулой. Разрешение СТМ в таких измерениях – около Ангстрема (0,1 нм) в плоскости и 0,01 нм в глубину.

Недавно было показано, что добавление некоторых молекул на кончик зонда СТМ улучшает разрешение микроскопа и его химический контраст. Обычно такие измерения проходят в ультраглубоком вакууме, при крайне низких (криогенных) температурах (4–100 градусов выше абсолютного нуля) и требуют идеально чистой поверхности. Такие эксперименты очень трудоёмки – например, ко всему прочему образцы приходится выращивать прямо внутри микроскопа, – и на каждое измерение уходит много времени.

Если бы СТМ удалось приспособить к комнатной температуре, это сильно помогло бы многим физикам, в том числе тем, кто работает с двухмерными кристаллами – графеном и многообещающим семейством дихалькогенидов переходных металлов. Их активно исследуют по всему миру, поскольку такие двухмерные кристаллы в перспективе позволят создавать наноэлектронику атомарной толщины с чётко определённой электронной структурой. В плане электронных и оптоэлектронных свойств интересны не только отдельные двухмерные кристаллы, но и так называемые гетероструктуры Ван дер Ваальса: «слоёный пирог» из графена, нитрида бора и вышеупомянутых дихалькогенидов.

Петер Нирмалрадж (Peter Nirmalraj ) из лаборатории IBM и его коллеги из Швейцарии, Ирландии и США разработал метод, позволяющий наблюдать поверхности в атомном разрешении при комнатной температуре. Исследователи модифицировали зонд СТМ, «прицепив» к нему фуллерен С 60 (который представляет собой шарообразную молекулу из 60 атомов углерода диаметром около 1 нм, похожую по структуре на футбольный мяч). Погружая зонд в силиконовое масло (вязкая неполярная химически инертная жидкость), мы стабилизируем фуллерен, и он дольше держится на кончике зонда. В то же время масло отлично защищает поверхность образца от воздействия атмосферы без необходимости откачивать камеру для измерений до ультраглубокого вакуума.

Как же посадить молекулу из 60 атомов на кончик зонда диаметром сопоставимого размера? Для этого на заранее подготовленную подложку наносится раствор, содержащий фуллерены заданного размера. Высушенная подложка сканируется с помощью зонда (см. Рис.2, над сканом указан туннельный ток во время измерения и напряжение на зонде). Кончик иглы приближается к выбранному фуллерену и «огибает» его, как показано на иллюстрации. При правильно подобранной комбинации напряжения на зонде и туннельного тока фуллерен цепляется за зонд. Затем делается тестовый скан того же участка, чтобы убедиться в правильной работе модифицированного зонда, и можно менять подложку с фуллеренами на кювету с образцами, погруженными в масло.

Гибридный зонд протестировали на образцах графена и дисульфида молибдена MoS 2 – популярного представителя дихалькогенидов переходных металлов. Измерения показали, что с такой конфигурацией микроскопа можно детально изучить структуру поверхности и точно определить длину межатомных связей – не хуже, чем при низкой температуре в вакууме.

Образец графена для эксперимента вырастили на поверхности кристалла карбида кремния (SiC) с помощью эпитаксии (то есть последовательного выращивания одного кристалла на поверхности другого). На Рис.3 хорошо видна граница между двухслойным и однослойным графеном, и чётко различимы атомы углерода в решётке из «сот». Также хорошо видна типичная «рябь» на поверхности однослойного графена – она стабилизирует двухмерную структуру и обычно не оказывает существенного влияния на электронные свойства.

На Рис.4 показаны измерения MoS 2 (его химическая структура изображена в виде шариков, соединённых «палочками» химической связи). На предварительном скане хорошо видна слоистость кристалла, и можно точно измерить толщину каждого слоя. Также видна периодическая «сетка Муара», которая возникает из-за несовпадения постоянной решётки MoS 2 и подложки из золота, на которой его растили. Для сравнения, период сетки Муара составляет около 32 Ангстрем (3,2 нм), тогда как постоянная решётки MoS 2 составляет 3,2 Ангстрема. Полностью результаты работы опубликованы в Nature Communications .

Главное же здесь в том, что зонд для СТМ с фуллереном смог правильно измерить межатомные расстояния и толщину слоёв графена и дисульфида молибдена. Это означает, что измерения при комнатной температуре и с погружением зонда в силиконовое масло не уступают результатам, полученным в вакууме и при низкой температуре. Помимо электронных свойств самих материалов и наноустройств их них, важным фактором является стабильность на воздухе, поскольку подобные структуры могут легко окисляться. Чтобы выбрать наиболее перспективные материалы и их комбинации для потенциальных приложений, наряду с электронными и структурными свойствами, важно оценить воздействие атмосферы и растворителей на кристаллическую и электронную структуру, и метод Петера Нирмалраджа позволяет провести такие измерения сравнительно легко и быстро.